无人驾驶列车制动系统的应用探究

陶磊 张洋 邱力博 刘宇辉

摘要：无人驾驶列车的操作难点在于整个控制环节都需要通过软件程序来实现，这就对技术人员的专业工作能力提出了更高的要求。本文主要从列车制动系统的运行原理展开分析，明确系统的设计要点。研究充分发挥信息技术手段，提高系统应用效果的可行方案。在这个环节中还有一些事项需要注意，主要包括零部件维修保养及人员培训教育等。这是影响系统运行安全的关键所在，需要列车设计、制造及运营部门引起重视。

关键词：无人驾驶;列车;制动系统。

一、无人驾驶列车等级分类

国际标准按照轨道交通线路自动化程度定义了4层自动化等级（GOA），自动化程度从低至高为GOA1至GOA4。

GoA1：在ATP（列车自动防护系统）防护下的完全人工驾驶，由司机控制列车的启动、停止，车门的开关，以及突发情况的处理;

GoA2：半自动驾驶，车辆的启动、停止是自动运行，但是司机室配备一名司机开动车辆，控制车门的开关，以及应对紧急情况下列车的驾驶。大部分地铁ATO系统是这个级别;

GoA3：无司机驾驶，列车的启动、停止是自动化的，但列车配备一名服务人员，列车服务人员控制列车车门的开关以及紧急情况下对列车的控制;

GoA4：完全自动驾驶，列车唤醒、休眠、启动、停止、车门的开闭、以及紧急情况下的列车运行全部为自动驾驶，不需要任何一名工作人员参与。

二、无人驾驶列车制动系统的运行原理及其设计要点

GoA4级别为无人驾驶的最高级别，为真正意义上的无人驾驶，目前大众最关心的就是其运行安全性与稳定性，即停得下、停的准、停的稳，而这就需要从列车制动系统的设计及应用环节展开分析。

1、基本原理

制动系统指的是限制列车运行状态及行驶速度的控制及执行机构，在系统设计时，主要利用车载信号ATC控制器将列车运行的实际信息与车载ATC系统本身存储的线路电子地图信息进行综合比较、计算，然后智能判断出列车所处位置，及该位置所处区域的限速值，进而判断列车行驶速度是低于该区域限速还是高于该区域限速，若实际速度高于限速则对列车施加制动，进而降低列车速度，这就是制动系统的基本原理。在整个工作流程中，还涉及定位系统、测速装置、压力检测等设备的安装和使用，操作难度相对较高。

2、制动效果的调节设计

列车制动力调节是通过车载ATC系统给出0-10V的可调电压信号控制中继阀的开启量来实现的。阀门的工作电压为24V，指令信号为0.7-10.7VDC，对应控制压力为0-100PSI（0-689kPa），反馈信号为0-10VDC，对应控制压力为0-100PSI（0-689kPa）。在基礎设计环节中，技术人员首先要掌握电压与压力之间的关系，结合关系式来了解目前制动效果的优化研究方向，从而拟定出科学合理的方案。具体关系式如下图1所示：

3、对摩擦系数的研究

在设计制动系统时，技术人员还需要了解制动系统的运行特点，分析出实际列车运行过程中对制动效果造成影响的关键因素有哪些。常见的因素主要有车辆自身的运行状态以及车辆受到的摩擦阻力等问题，运行状态可以通过智能设备实现自动化管理。而摩擦阻力问题，主要受轮轨摩擦系数影响，需展开详细的分析和研究，其准确与否直接影响到列车的制动效果。在这个环节，技术人员应当结合以往的工作经验进行总结，将速度与制动效果之间的关系图（如图2）绘制出来指导制动系统设计工作，并在后续试验中结合试验数据对关系图进行优化更新。

技术人员根据关系图可以直观清晰的了解二者的关系，可以对制动速度进行科学的选择，有效提高制动系统的应用效果，进而为无人驾驶列车的精确制动提供保障。

4、系统自检及故障处理

由于GoA4级别列车通常不设司机，列车的唤醒、运行、休眠均需自动实施。为确保列车运行安全，每天列车唤醒时应立即对制动系统进行详细自检，包括控制及执行机构，并对发现的故障及时上传，对严重故障应特别标注，提醒运营部门注意。同样，在列车运行过程中，制动系统应及时上传故障信息，为确保列车的可用性，制动系统还需具备自复位及重启功能。

5、人工驾驶界面的设计

GoA4级别列车在平时运行中为无人驾驶，但在试验、调试及列车转线运行中，仍需人工驾驶，为此人工驾驶界面的设计也应给予足够重视。就制动系统而言，一是要防止乘客对人工驾驶界面中制动系统开关、按钮的误操作。二是制动系统的设计及布置应充分考虑运营部门意见，便于司机操作，最好能做到全线网方案统一。

6、列车客室门解锁后的控制逻辑

关于列车客室门解锁后的控制逻辑，目前主要有以下两种方案。一是列车施加紧急制动，直至停车。二是列车发出故障提示，但列车仍正常运行。考虑到GoA4级别列车通常不设司机，若列车在区间停车容易发生混乱，严重影响运营安全，故建议按方案二实施，发生车门解锁时，运营部门应在列车到达下一车站时及时派员上车处理。

三、制动系统在无人驾驶列车中的应用效果及相关注意事项

1、应用效果

与传统的列车运行模式相比，无人驾驶列车的优点在于节省了司机的薪酬开支，提高运营部门的经济效益，并避免由于司机误操作而发生的事故。从实际工作情况来看，无人驾驶列车制动系统是时代发展背景下的产物，在保证系统运行安全的状态下，还可以提高运行的效率。这主要是依靠于智能监控技术，让计算机系统可以对列车正常行驶状态下的数据进行记录，然后系统通过智能统计和分析，进而计算出数据变化范围。一旦运行过程中出现了数据异常的情况，则可以发出信号引起运营部门注意，并根据故障的严重程度智能采取制动措施，保证列车运行安全。因此，无人驾驶列车及其制动系统有着良好的发展前景。

2、人员培训教育问题

制动系统之所以可以实现智能调节列车运行速度的功能，主要是依靠技术人员为系统设定参数信息，列车在接收到相应的指令后，会智能判断列车运行状态，然后执行指令，进而达到制动的效果。这就要求运营部门意识到人才的重要作用，定期进行员工能力考核，分析出员工之间存在的共性问题。然后安排专家为员工传授工作经验，引导员工研究、优化制动系统，提高制动系统的可靠性、可用性及安全性。

3、零部件维修保养问题

列车制动系统为列车核心系统之一，其直接关系到列车行车安全，而制动系统的稳定运行又依赖于其内部各零部件的稳定运行，无论是控制机构或执行机构出现问题均会对系统造成影响。因此，运营部门需高度重视并做好制动系统零部件的维修保养工作，建立健全内部监管机制，对于受损无法继续使用的零件要及时更换。另外，还应从员工行为入手，规范检修工作流程，常见的方式有设置责任监管机制及奖励激励制度，将零部件维修及保养的工作落实到每位员工，并设置奖励激励机制，提高员工的工作积极性，及时消除列车运行的安全隐患。

四、结论

为推动无人驾驶列车事业的可持续发展，提高我国科技水平，技术人员应当不断总结个人工作经验，明确现阶段的优势及不足，区分出传统列车制动方式及自动化制动系统之间在应用效果上的差异，并结合试验数据研究影响制动效果的关键因素，有针对性的展开优化研究工作。同时，还应从列车基础零部件的维修保养角度规范自身工作行为，以确保制动系统性能的充分发挥。

参考文献：

[1]吴嘉，史海欧.全自动无人驾驶系统在地铁既有线改造中的机遇和挑战[J].城市轨道交通研究，2019（8）：8-12.

[2]熊天圣，王克斌.全自动无人驾驶综合自动化系统分析与设计[J].现代信息科技，2019（14）.